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EP0148965A1 - Anordung aus einem Schiffspropeller und einem Leitrad - Google Patents

Anordung aus einem Schiffspropeller und einem Leitrad Download PDF

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Publication number
EP0148965A1
EP0148965A1 EP84100358A EP84100358A EP0148965A1 EP 0148965 A1 EP0148965 A1 EP 0148965A1 EP 84100358 A EP84100358 A EP 84100358A EP 84100358 A EP84100358 A EP 84100358A EP 0148965 A1 EP0148965 A1 EP 0148965A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
propeller
stator
jet
arrangement
arrangement according
Prior art date
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Granted
Application number
EP84100358A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0148965B1 (de
Inventor
Otto Prof. Dr.-Ing. Grim
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ostermann Metallwerke & Co GmbH
Original Assignee
Ostermann Metallwerke & Co GmbH
HARMSTORF AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ostermann Metallwerke & Co GmbH, HARMSTORF AG filed Critical Ostermann Metallwerke & Co GmbH
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Priority to PL25108684A priority patent/PL251086A1/xx
Priority to BR8406735A priority patent/BR8406735A/pt
Priority to YU2246/84A priority patent/YU44484B/xx
Priority to KR1019850000092A priority patent/KR890002884B1/ko
Priority to IN18/CAL/85A priority patent/IN163195B/en
Priority to SU853839131A priority patent/SU1471942A3/ru
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H1/00—Propulsive elements directly acting on water
    • B63H1/02—Propulsive elements directly acting on water of rotary type
    • B63H1/12—Propulsive elements directly acting on water of rotary type with rotation axis substantially in propulsive direction
    • B63H1/14—Propellers
    • B63H1/28—Other means for improving propeller efficiency
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H1/00—Propulsive elements directly acting on water
    • B63H1/02—Propulsive elements directly acting on water of rotary type
    • B63H1/12—Propulsive elements directly acting on water of rotary type with rotation axis substantially in propulsive direction
    • B63H1/14—Propellers
    • B63H1/26—Blades

Definitions

  • the invention relates to an arrangement of a ship propeller and a freely rotatably mounted stator downstream of the propeller, the number of blades of which is greater and the speed of which is lower than that of the propeller, the blades of the stator being designed in the manner of a turbine blade within the propeller jet and like a propeller outside of the propeller jet.
  • Such an arrangement is known (DE-PS 17 56 889). With such an arrangement, the flow energy contained in the propeller jet behind a ship is partially converted into mechanical energy, some of which is used to drive the stator and another part is converted into propulsion energy by the wing sections of the stator located outside the propeller jet.
  • such an arrangement can only generate significant additional propulsive energy compared to a conventional propeller if the number of blades of the stator is larger than the number of blades of the propeller and the speed of the stator is less than the speed of the propeller.
  • the object of the invention is to provide an arrangement of the type described in the introduction which is favorable with regard to optimization.
  • the hydrodynamic properties of the propeller or the stator are determined by the pitch distribution of the radial wing sections.
  • a steady, in particular essentially linearly increasing gradient distribution of the radial wing sections of the stator in the propeller beam leads to favorable results with regard to optimization, independently whether the propeller is designed as a free-running propeller or as a so-called post-flow propeller.
  • An essentially linear gradient distribution of the wing sections of the stator simplifies design, execution and manufacture. Because the stator and propeller rotate in the same direction, the wing frequency is relatively low, which has a favorable influence on the vibration behavior of the arrangement.
  • the gradient of the radial wing section of the stator in the hub area can be 1.5 to 3 times the constant value.
  • this constant value or the constant pitch of the radial wing cuts outside the propeller jet can be 2 to 3 times the propeller pitch.
  • the design of such an arrangement is based on a so-called optimal propeller, the optimal diameter of which is adapted to the speed of the engine of the ship, the wake conditions and the screw well.
  • the optimal propeller of a ship is to be replaced by an arrangement of propeller and idler, space problems can arise because an additional idler can hardly or not be accommodated behind an optimal propeller.
  • the advantages of the arrangement according to the invention namely in particular the energy recovery, need not be dispensed with if the diameter of the propeller is smaller than the diameter of an optimal propeller of the same speed. So you can easily reduce the propeller diameter at the same speed, without therefore e.g. the number of blades of the propeller would have to be increased. It may be advantageous if the pitch of the reduced diameter propeller is greater than the pitch of the optimal propeller.
  • the arrangement shown in the drawing is housed in the screw well 1 at the stern 2 of a ship not shown in the rest.
  • a shaft 3 can be seen on which the hub 4 of a propeller 5 is fastened.
  • the propeller 5 is followed by a stator 6, the hub 7 of which is freely rotatably mounted on the hub 4 of the propeller 5. This storage is not shown in detail.
  • the diameter of the stator 6 is larger than the diameter of the propeller 5.
  • the number of blades of the stator 6 is also larger than the number of blades of the propeller 5.
  • the vanes of the stator are designed like a turbine blade on a section 8 within the propeller jet and like a propeller wing on a section 9 outside the propeller jet.
  • the slopes of the wing sections in section 8 within the propeller jet are directed so that they drive the stator 6 in the same direction of rotation as the propeller 5, but at a lower speed.
  • the sections 9 of the vanes of the guide wheel located outside the propeller jet then generate additional propulsion.
  • the diagram shows the pitch distributions of propeller 5 and stator 6.
  • the slope P is plotted over the radius R.
  • the propeller 5 has an approximately constant slope 10, which is represented by a solid line. If necessary, this slope can be adapted to a wake field.
  • the dashed line shows the also approximately constant, but somewhat smaller pitch 11 of an optimal propeller, which also has a somewhat larger diameter than the propeller 5 of the arrangement.
  • the gradient distribution of the radial wing sections of the stator 6 is shown.
  • the sections 9 of the vanes of the stator 6 which lie outside the propeller jet have approximately constant gradients 12 in the radial direction.
  • this gradient distribution can also be adapted to a possibly present wake field.
  • the radial wing sections located within the propeller jet or in section 8 have a pitch distribution 13 which, starting from the approximately constant pitch 12 of the wing sections in section 9, increases steadily and linearly in the direction of the hub 7.
  • This basic gradient distribution tion 12, 13 also applies to arrangements in which the propeller 5 is replaced with a constant pitch by a post-flow propeller, an adjustable propeller or a jet propeller.
  • the propeller 5 has a diameter of approximately 5.2 m, while the optimal propeller would have a diameter of 5.6 m.
  • the average pitch 10 of the propeller 5 is approximately 5.1 m.
  • the guide wheel has a diameter of 6.7 m and its blades have a pitch 12 of approximately 11.8 m in section 9 outside the propeller jet.
  • the slope 13 of the radial wing cut on the hub 7 is approximately 22.3 m.
  • This arrangement has an efficiency of approximately 0.69 compared to an efficiency of 0.65 for an optimized propeller.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung aus einem Schiffspropeller und einem dem Propeller (5) nachgeschalteten, frei drehbar gelagerten Leitrad (6), dessen Flügelzahl größer und dessen Drehzahl kleiner sind als die des Propellers (5), wobei die Flügel des Leitrades (6) innerhalb des Propellerstrahls turbinenschaufelartig und außerhalb des Propellerstrahls propellerflügelartig ausgebildet sind. Eine im Hinblick auf Optimierung günstige Anordnung zeichnet sich dadurch aus, daß bei gleicher Drehrichtung von Propeller (5) und Leitrad (6) die Steigungen (12, 23) der radialen Flügelschnitte des Leitrades (6) außerhalb des Propellerstrahls in radialer Richtung im wesentlichen konstant sind sowie innerhalb des Propellerstrahls, ausgehend vom konstanten Wert, in Richtung auf die Nabe (7) stetig zunehmen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anordnung aus einem Schiffspropeller und einem dem Propeller nachgeschalteten, frei drehbar gelagerten Leitrad, dessen Flügelzahl größer und dessen Drehzahl kleiner sind als die des Propellers, wobei die Flügel des Leitrades innerhalb des Propellerstrahls turbinenschaufelartig und außerhalb des Propellerstrahls propellerflügelartig ausgebildet sind. Eine derartige Anordnung ist bekannt (DE-PS 17 56 889). Bei einer derartigen Anordnung wird die im Propellerstrahl hinter einem Schiff enthaltene Strömungsenergie teilweise in mechanische Energie umgesetzt, wovon ein Teil für den Antrieb des Leitrades verbraucht wird und ein anderer Teil von den außerhalb des Propellerstrahls befindlichen Flügelabschnitten des Leitrades in Vortriebsenergie umgesetzt wird. Aus hydrodynamischen Gründen kann mit einer derartigen Anordnung aber nur dann nennenswerte zusätzliche Vortriebsenergie gegenüber einem herkömmlichen Propeller gewonnen werden, wenn die Flügelzahl des Leitrades größer ist als die Flügelzahl des Propellers und die Drehzahl des Leitrades kleiner ist als die Drehzahl des Propellers.
  • Trotz der zusätzlichen Investitionen, die eine solche Anordnung gegenüber einem herkömmlichen Propeller erfordert, ist der damit erzielbare Energierückgewinn insbesondere im Hinblick auf steigende Brennstoffkosten für Schiffe von Interesse. Da es sich jedoch bei der Anordnung aus Propeller und Leitrad um ein komplexes hydrodynamisches System handelt, entstehen in der Praxis Schwierigkeiten im Hinblick auf Entwurf und Auslegung der Anordnung im einzelnen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine im Hinblick auf Optimierung günstige Anordnung der eingangs beschriebenen Gattung anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs beschriebenen Gattung dadurch gelöst, daß bei gleicher Drehrichtung von Propeller und Leitrad die Steigungen der radialen Flügelschnitte des Leitrades außerhalb des Propellerstrahls in radialer Richtung im wesentlichen konstant sind sowie innerhalb des Propellerstrahls, ausgehend vom konstanten Wert, in Richtung auf die Nabe stetig zunehmen.
  • Durch die Steigungsverteilung der radialen Flügelschnitte eines Propellers oder des Leitrades werden dessen hydrodynamische Eigenschaften wesentlich bestimmt. Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß bei gleicher Drehrichtung des Propellers und des Leitrades eine stetige, insbesondere im wesentlichen linear in Richtung auf die Nabe zunehmende Steigungsverteilung der im Propellerstrahl liegenden radialen Flügelschnitte des Leitrades zu im Hinblick auf eine Optimierung günstigen Ergebnissen führt, - und zwar unabhängig davon, ob der Propeller als freifahrender Propeller oder als sogenannter Nachstrompropeller ausgebildet ist. Eine im wesentlichen lineare Steigungsverteilung der Flügelschnitte des Leitrades vereinfacht Entwurf, Ausführung und Herstellung. Weil Leitrad und Propeller in gleicher Richtung drehen, ergibt sich eine relativ geringe Flügelfrequeriz, wodurch das Schwingungsverhalten der Anordnung günstig beeinflußt wird. Wenn das Leitrad an der Propellernabe gelagert ist, bleiben die Lagergeschwindigkeiten gering, so daß Lagerung und Dichtung einfacher ausgebildet sein können. Ähnliches gilt auch für die im wesentlichen konstante Steigungsverteilung für die außerhalb des Propellerstrahls befindlichen Flügelschnitte des Leitrades. Das schließt jedoch nicht aus, daß bei der Steigungsverteilung dieser außerhalb des Propellerstrahl befindlichen Flügelschnitte Rücksicht auf ein gegebenenfalls vorhandenes Nachstromfeld genommen wird.
  • Im Einzelfall kann die Steigung des radialen Flügelschnitts des Leitrades im Nabenbereich das 1,5- bis 3-fache des konstanten Wertes betragen. Andererseits kann dieser konstante Wert bzw. die konstante Steigung der radialen Flügelschnitte außerhalb des Propellerstrahls das 2- bis 3-fache der Propellersteigung betragen.
  • Üblicherweise geht man beim Entwurf einer derartigen Anordnung von einem sogenannten optimalen Propeller aus, dessen optimaler Durchmesser der Drehzahl der Antriebsmaschine des Schiffes, den Nachstromverhältnissen und dem Schraubenbrunnen angepaßt ist. Soll der optimale Propeller ein.es Schiffes durch eine Anordnung aus Propeller und Leitrad ersetzt werden, dann können sich Raumprobleme ergeben, weil ein zusätzliches Leitrad kaum oder gar nicht hinter einem optimalen Propeller untergebracht werden kann. Überraschenderweise hat sich jedoch gezeigt, daß auf die Vorteile der erfindungsgemä-Ben Anordnung, nämlich insbesondere den Energierückgewinn, nicht verzichtet werden braucht, wenn der Durchmesser des Propellers kleiner ist als der Durchmesser eines optimalen Propellers gleicher Drehzahl. Man kann also den Propellerdurchmesser bei gleicher Drehzahl ohne weiteres reduzieren, ohne daß deshalb z.B. die Flügelzahl des Propellers erhöht werden müßte. Gegebenenfalls kann es vorteilhaft sein, wenn die Steigung des im Durchmesser reduzierten Propellers größer ist als die Steigung des optimalen Propellers.
  • Die beschriebenen Verhältnisse gelten auch dann, wenn der Propeller der Anordnung ein Verstellpropeller oder ein Düsenpropeller ist.
  • Im folgenden wird ein in der Zeichnung dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert; die einzige Figur zeigt teilweise und in schematischer Darstellung eine Anordnung aus einem Schiffspropeller mit einem nachgeschalteten Leitrad sowie ein Diagramm zur Steigungsverteilung von Leitrad bzw. Propeller.
  • Die in der Zeichnung dargestellte Anordnung ist im Schraubenbrunnen 1 am Heck 2 eines im übrigen nicht dargestellten Schiffes untergebracht. Man erkennt eine Welle 3, auf der die Nabe 4 eines Propellers 5 befestigt ist. Dem Propeller 5 ist in Strömungsrichtung ein Leitrad 6 nachgeschaltet, dessen Nabe 7 frei drehbar an der Nabe 4 des Propellers 5 gelagert ist. Diese Lagerung ist im einzelnen nicht dargestellt. Der Durchmesser des Leitrades 6 ist größer als der Durchmesser des Propellers 5. Auch die Flügelzahl des Leitrades 6 ist größer als die Flügelzahl des Propellers 5.
  • Die Flügel des Leitrades sind auf einem Abschnitt 8 innerhalb des Propellerstrahls turbinenschaufelartig und auf einem Abschnitt 9 außerhalb des Propellerstrahls propellerflügelartig ausgebildet. Die Steigungen der Flügelschnitte im Abschnitt 8 innerhalb des Propellerstrahls sind so gerichtet, daß sie das Leitrad 6 in gleicher Drehrichtung wie den Propeller 5, jedoch mit kleinerer Drehzahl, antreiben. Die außerhalb des Propellerstrahls befindlichen Abschnitte 9 der Flügel des Leitrades erzeugen dann einen zusätzlichen Vortrieb.
  • In dem Diagramm sind die Steigungsverteilungen von Propeller 5 und Leitrad 6 wiedergegeben. Aufgetragen ist die Steigung P über dem Radius R. Der Propeller 5 besitzt eine annähernd konstante Steigung 10, die mit einer durchgezogenen Linie dargestellt ist. Diese Steigung kann gegebenenfalls einem Nachstromfeld angepaßt werden. Mit eiaer gestrichelten Linie ist die ebenfalls annähernd konstante, jedoch etwas kleinere Steigung 11 eines optimalen Propellers wiedergegeben, der auch einen etwas größeren Durchmesser als der Propeller 5 der Anordnung besitzt.
  • Im rechten Teil des Diagramms ist die Steigungsverteilung der radialen Flügelschnitte des Leitrades 6 wiedergegeben. Die außerhalb des Propellerstrahls liegenden Abschnitte 9 der Flügel des Leitrades 6 besitzen in radialer Richtung annähernd konstante Steigungen 12. Diese Steigungsverteilung kann im Einzelfall aber auch einem gegebenenfalls vorhandenen Nachstromfeld angepaßt werden. Die innerhalb des Propellerstrahls bzw. im Abschnitt 8 liegenden radialen Flügelschnitte besitzen eine Steigungsverteilung 13, die, ausgehend von der annähernd konstanten Steigung 12 der Flügelschnitte im Abschnitt 9, in Richtung auf die Nabe 7 stetig und linear zunimmt. Diese grundsätzliche Steigungsverteilung 12, 13 gilt auch für Anordnungen, bei denen der Propeller 5 mit konstanter Steigung durch einen Nachstrompropeller, einen Verstellpropeller oder einen Düsenpropeller ersetzt ist.
  • Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt der Propeller 5 einen Durchmesser von ca. 5,2 m, während der optimale Propeller einen Durchmesser von 5,6 m besitzen würde. Die mittlere Steigung 10 des Propellers 5 beträgt etwa 5,1 m.
  • Das Leitrad besitzt einen Durchmesser von 6,7 m und seine Flügel besitzen im Abschnitt 9 außerhalb des Propellerstrahls eine Steigung 12 von ca. 11,8 m. Die Steigung 13 des radialen Flügelschnitts an der Nabe 7 beträgt ca. 22,3 m.
  • Diese Anordnung besitzt einen Wirkungsgrad von etwa 0,69 gegenüber einem Wirkungsgrad von 0,65 für einen optimierten Propeller.

Claims (8)

1. Anordnung aus einem Schiffspropeller und einem dem Propeller (5) nachgeschalteten, frei drehbar gelagerten Leitrad (6), dessen Flügelzahl größer und dessen Drehzahl kleiner sind als die des Propellers (5), wobei die Flügel des Leitradest(6) innerhalb des Propellerstrahls turbinenschaufelartig und außerhalb des Propellerstrahls propellerflügelartig ausgebildet sind, da - durch gekennzeichnet , daß bei gleicher Drehrichtung von Propeller (5) und Leitrad (6) die Steigungen (12, 13) der radialen Flügelschnitte des Leitrades (6) außerhalb des Propellerstrahls in radialer Richtung im wesentlichen konstant sind sowie innerhalb des Propellerstrahls, ausgehend vom konstanten Wert, in Richtung auf die Nabe (7) stetig zunehmen.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net , daß die Steigungen (13) der radialen Flügelschnitte des Leitrades (6) innerhalb des Propellerstrahls im wesentlichen linear in Richtung auf die Nabe (7) zunehmen.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Steigung (13) des radialen Flügelschnitts des Leitrades (6) im Nabenbereich das 1,5- bis 3-fache des konstanten Wertes beträgt.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet , daß die konstante Steigung (12) der radialen Flügelschnitte außerhalb des Propellerstrahls das 2- bis 3-fache der Propellersteigung (10) beträgt.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Durchmesser des Propellers (5) kleiner ist als der Durchmesser eines optimalen Propellers gleicher Drehzahl und gleicher spezifischer Belastung.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Steigung (10) des im Durchmesser reduzierten Propellers (5) größer ist als die Steigung (11) des optimalen Propellers.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Propeller ein Verstellpropeller ist.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 - 6 , d a<durch gekennzeichnet daß der Propeller ein Düsenpropeller ist.
EP84100358A 1984-01-14 1984-01-14 Anordung aus einem Schiffspropeller und einem Leitrad Expired EP0148965B1 (de)

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